宿县矿区地下水化学演化特征与控制因素研究

摘要

安徽淮北煤田宿县矿区是华北隐伏型煤田的重要组成部分，丰富的煤炭资源促进了当地经济的快速发展。近几十年来，由于采矿活动等的影响，地下水系统输入、输出与系统结构发生改变，水文地质条件复杂化，煤矿突水事故频繁发生。为此，本论文以华北隐伏型煤田宿县矿区为研究示范，深入调查了研究区地质背景条件，收集了主要突水含水层（四含、煤系、太灰）地下水样常规离子(K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-)数据，利用离子组合比和主成分分析方法探讨了水化学成分的形成机制，进一步通过研究主成分荷载得分与水化学类型的空间分布规律，分析了矿区地下水水化学演化特征及控制因素。在定性分析的基础上，确立了矿区地下水流路径以及矿物相，建立了合理的水文地球化学模型，对矿区地下水流路径及水文地球化学演化进行了定量模拟。
　　研究结果表明:(1)矿区主要突水含水层阳离子含量关系均为Na+＞Ca2+＞Mg2+，四含、太灰阴离子含量关系均为SO42-＞HCO3-＞Cl-，煤系阴离子含量关系为HCO3-＞SO42-＞Cl-。四含变异系数较大的有Na+、SO42-、HCO3-，煤系变异系数较大有Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-，太灰变异系数较大有Ca2+、Mg2+、SO42-。矿区主要突水含水层水化学数据差异综合反映了地下水化学成分形成作用和地下水流动路径。(2)四含水力联系紧密，水文地球化学演化的主要水-岩相互作用有黄铁矿的氧化作用、阳离子交替吸附作用及硫酸盐、碳酸盐的溶解沉淀作用;煤系总体地下水径流条件差，阳离子交替吸附或脱硫酸作用趋于稳定;太灰中东部水动力条件较好，碳酸盐的溶解沉淀作用是水文地球化学演化的主要水-岩相互作用，西部水力联系较小，阳离子交替吸附作用与黄铁矿的氧化作用是水文地球化学演化的主要水-岩相互作用。(3)基于ArcGIS的水化学空间演化定性分析与基于PHREEQC的水文地球化学定量模拟均揭示了地质背景条件以及人类活动控制了地下水流场，影响了水-岩相互作用尺度，进而影响了主要突水含水层水化学成分形成作用与水化学类型的空间分布。其中四含主要受采矿活动控制，煤系主要受断裂（层）控制，太灰主要受采矿活动、断裂（层）与褶皱控制。
　　论文丰富了水文地球化学方法在煤矿上的研究成果，有望为华北隐伏型煤矿水害防治和地下水资源的开发利用提供理论支持。

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声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．2 国内外研究进展及存在的问题

1．2．1 地下水化学演化研究

1．2．2 地下水化学演化模拟

1．2．3 宿县矿区研究现状

1．2．4 存在问题

1．3 研究内容及技术路线

1．4 创新点

第二章 研究区概况及数据收集、整理

2．1 自然地理概况

2．1．1 地理位置

2．1．2 水文气候

2．1．3 井田

2．2 地质概况

2．2．1 地层

2．2．2 构造

2．3 水文地质概况

2．3．1 地下水含水系统

2．3．2 宿县矿区地下水补给、径流与排泄

2．4 数据收集、整理与处理

2．5 小结

第三章 宿县矿区地下水化学与控制因素

3．1 水化学特征

3．1．1 TDS值、pH值及常规离子描述性分析

3．1．2 水化学类型

3．2 水化学成分的形成机制

3．2．1 离子组合比

3．2．2 主成分分析法

3．3 水化学演化及控制因素

3．3．1 数据准备

3．3．2 水化学空间演化

3．3．3 水化学时间演化

3．4 小结

第四章 水文地球化学模拟

4．1 水文地球化学模拟理论基础

4．1．1 组分分布模型

4．1．2 质量平衡模型

4．1．3 反应路径模型

4．2 水文地球化学模拟

4．2．1 选取“水流路径”

4．2．2 选取“可能矿物相”

4．2．3 设置不确定度

4．2．4 溶液来源

4．3 水文地球化学模拟结果分析

4．3．1 饱和指数分析

4．3．2 反向模拟结果讨论

4．4 小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况